本文關鍵詞： 穿孔等離子弧焊 超聲振動 等離子弧壓力 小孔圖像 焊縫成形 微觀組織　出處：《山東大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：穿孔等離子弧焊中,等離子弧不僅作為焊接熱源加熱熔化待焊工件形成熔池,同時還作為力源在熔池中排開液態(tài)金屬形成熔透的小孔。然而,常規(guī)等離子弧焊接(PAW)還存在穿孔能力和熔池穩(wěn)定成形不易兼顧的問題。超聲振動作為一種輔助能量,在與TIG/MIG等自由電弧復合時有較好的工藝效果。那么是否可以將超聲振動與等離子弧復合,用以解決常規(guī)等離子弧焊接存在的上述問題?本文在這一方面進行了探索。研發(fā)了 "超聲振動輔助穿孔等離子弧焊接(U-PAW)實驗系統(tǒng)",該實驗系統(tǒng)包括:超聲振動系統(tǒng)、等離子弧焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)。針對等離子弧焊槍的結構特點,通過鎢極端部將超聲振動施加到等離子弧中,進而使超聲振動直接作用于等離子弧和熔池。利用激光多普勒測振(LDV)的方式,測量了鎢極端部的振動頻率、振幅等參數。采用電弧壓力測量裝置,對等離子弧的壓力分布進行測試;通過拍攝等離子弧弧柱圖像,證明超聲振動能夠對等離子弧形狀產生影響,使等離子弧弧柱進一步收縮,同時等離子弧高溫區(qū)發(fā)生下移。結果顯示,超聲振動能夠提高等離子弧壓力。隨著焊接電流的增大,超聲對等離子弧壓力增大的效果有所降低。在不銹鋼板上開展U-PAW工藝試驗,在工件背面安裝視覺傳感器,實時拍攝小孔出口的圖像,考察超聲振動對等離子弧穿孔能力的影響。在工藝條件相同的情況下,超聲振動輔助穿孔等離子弧焊接能夠以較低的焊接電流或較高的焊接速度實現穿孔焊透。同時,超聲振動能夠增大工件背面小孔的尺寸,有效降低小孔的中心后向偏移量。超聲振動能夠增強等離子弧的挺度,提高小孔成形過程的穩(wěn)定性,焊縫橫斷面金相試樣照片表明,超聲振動能夠減小焊縫上部熔寬,促使焊縫中下部熔寬變大,增大深寬比。同時,超聲振動利于焊縫表面的穩(wěn)定成形。等離子弧焊接焊縫金屬的微觀組織觀測結果表明,復合超聲振動之后,焊縫中粗大且方向明確的柱狀晶轉變?yōu)榧毿〉牡容S晶。對比同一金相試樣的上下兩個區(qū)域,可以發(fā)現超聲振動的作用自上而下逐漸減弱。這說明超聲振動改變了等離子弧的物理特性,進而改善了焊縫金屬的微觀組織;同時,有一部分超聲振動通過等離子弧傳遞到熔池當中,對熔池的冷卻凝固過程也產生了一定影響。
[Abstract]:In perforated plasma arc welding, plasma arc is not only used as a welding heat source to heat and melt the workpiece to be welded to form a molten pool, but also as a force source to drain liquid metal into the molten pool to form a penetration hole. Conventional plasma arc welding (PAW) also has the problems of punching ability and stable forming of molten pool. Ultrasonic vibration is a kind of auxiliary energy. When combined with free arc such as TIG/MIG, the process effect is better. Can ultrasonic vibration be combined with plasma arc to solve the above problems existing in conventional plasma arc welding? The experimental system of ultrasonic vibration assisted perforation plasma arc welding (U-PAW) is developed in this paper. The experimental system includes ultrasonic vibration system and plasma arc welding system. Control system and information acquisition system. According to the structural characteristics of plasma arc welding gun, ultrasonic vibration is applied to plasma arc through tungsten extreme part. The ultrasonic vibration is applied directly to the plasma arc and the molten pool. The vibration frequency and amplitude of the tungsten extreme are measured by the laser Doppler vibration measurement method. The arc pressure measuring device is used to measure the vibration frequency and amplitude of the tungsten. The pressure distribution of plasma arc was measured. By taking the image of plasma arc column, it is proved that ultrasonic vibration can affect the plasma arc shape, make the plasma arc column shrink further, and move down the high temperature area of plasma arc. The result shows that the ultrasonic vibration can affect the plasma arc shape and make the plasma arc column shrink further. Ultrasonic vibration can increase the pressure of plasma arc. With the increase of welding current, the effect of ultrasonic on the increase of plasma arc pressure is decreased. The U-PAW process test is carried out on stainless steel plate. The visual sensor is installed on the back of the workpiece and the image of the orifice exit is taken in real time. The influence of ultrasonic vibration on the perforation ability of plasma arc is investigated. Ultrasonic vibration assisted perforation plasma arc welding can achieve penetration with lower welding current or higher welding speed. At the same time, ultrasonic vibration can increase the size of the hole on the back of the workpiece. Ultrasonic vibration can enhance the stiffness of plasma arc and improve the stability of the forming process of the small hole. Ultrasonic vibration can reduce the upper weld width, promote the weld width of the middle and lower parts of the weld, increase the ratio of depth to width. At the same time. Ultrasonic vibration is conducive to the stable forming of weld surface. The microstructure observation results of plasma arc welding weld metal show that after composite ultrasonic vibration. The coarse and clear columnar crystals in the weld are transformed into fine equiaxed crystals, and the upper and lower regions of the same metallographic specimen are compared. It can be found that the effect of ultrasonic vibration weakens gradually from top to bottom, which indicates that ultrasonic vibration changes the physical properties of plasma arc and thus improves the microstructure of weld metal. At the same time, some ultrasonic vibration is transmitted to the molten pool by plasma arc, which has a certain influence on the cooling and solidification process of the molten pool.
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TG456.2

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本文編號：1457865